Топлотна проводљивост је физичка количина која одређује способност материјала да проводе топлоту. Другим речима, топлотна проводљивост је способност супстанци да преносе кинетичку енергију атома и молекула на друге супстанце које су у директном контакту са њима. У СИ, ова вредност се мери у В / (К * м) (вата по метру Келвина), што је еквивалентно Ј / (с * м * К) (Јоуле по секунди метра од Келвина).

Концепт топлотне проводљивости

То је интензивна физичка количина, тј. Количина која описује својство материје, независно од количине последње. Интензивне количине су такође температура, притисак, електрична проводљивост, то јест да су ове карактеристике исте у сваком тренутку на истој супстанци. Друга група физичких величина је велика, која се одређује количином материје, на пример, масом, запремином, енергијом и другим.

Супротна вредност за топлотну проводљивост је отпорност на топлоту, што одражава способност материјала да спречи преношење топлине кроз њега. За изотропни материјал, односно за материјал чија су својства иста у свим просторним смеровима, топлотна проводљивост је скаларна количина и одређује се као однос топлотног тока кроз јединствену површину по јединици времена у температурном градијенту. Дакле, топлотна проводљивост једнака једној вати по метру-Келвин, значи да се топлотна енергија у једном Јоулу преноси кроз материјал:

  • у једној секунди;
  • на површини од једног квадратног метра;
  • на удаљености од једног метра;
  • када је температурна разлика на површинама које се налазе на удаљености од једног метра једна од друге у материјалу једнака једном Келвину.

Јасно је да што је већа вредност топлотне проводљивости, бољи материјал проводи топлота и обрнуто. На пример, вредност ове вредности за бакар је 380 В / (м * К), а овај метал преноси топлоту 10 000 пута боље од полиуретана, чија је топлотна проводљивост 0, 035 В / (м * К).

Молекуларни пренос топлоте

Када се материја загреје, повећава се просечна кинетичка енергија његових саставних честица, односно ниво поремећаја расте, атоми и молекули почињу интензивније да осцилирају и са већом амплитудом око својих равнотежних положаја у материјалу. Пренос топлоте, који се на макроскопском нивоу може описати Фоуриеровим законом, на молекуларном нивоу је размена кинетичке енергије између честица (атома и молекула) неке супстанце, без преношења исте.

Ово објашњење механизма топлотне проводљивости на молекуларном нивоу разликује га од механизма топлотне конвекције, у коме постоји пренос топлоте због преноса материје. Све чврсте материје имају могућност да проводе топлоту, док је термичка конвекција могућа само у течностима и гасовима. Заиста, чврсте материје преносе топлину углавном због топлотне проводљивости, а течности и гасови, ако у њима постоје градијенти температуре, преносе топлоту углавном захваљујући конвекцијским процесима.

Топлотна проводљивост материјала

Метали поседују изражену способност провођења топлоте. Полимере карактерише мала топлотна проводљивост, а неки од њих практично не спроводе топлоту, на пример, фиберглас, такви материјали се називају топлотним изолаторима. Да би овај или онај топлотни ток кроз простор постојао, потребно је да у том простору постоји нека супстанца, дакле, на отвореном простору (празан простор) је топлотна проводљивост једнака нули.

Сваки хомогени (хомогени) материјал карактерише коефицијент топлотне проводљивости (означен грчким словом ламбда), односно вредност која одређује колико топлоте треба да прође кроз површину од 1 м², тако да у једној секунди, пролазећи кроз дебљину материјала за један метар, температура на његовим крајевима се мења за 1 К. Ово својство је својствено сваком материјалу и варира у зависности од његове температуре, па се овај коефицијент у правилу мери на собној температури (300 К) да би се упоредиле карактеристике различитих супстанци.

Ако је материјал хетероген, на пример, армирани бетон, тада се уводи концепт корисног коефицијента топлотне проводљивости, који се мери према коефицијентима хомогених супстанци које чине овај материјал.

Табела испод показује топлотну проводљивост неких метала и легура у В / (м * К) за температуру од 300 К (27 ° Ц):

  • челик 47-58;
  • алуминијум 237;
  • бакар 372.1-385.2;
  • бронза 116-186;
  • цинк 106-140;
  • титанијум 21.9;
  • коситар 64.0;
  • олово 35.0;
  • гвожђе 80.2;
  • месинг 81-116;
  • злато 308.2;
  • сребро 406.1-418.7.

Следећа табела приказује податке за нековинске чврсте материје:

  • фиберглас 0, 03-0, 07;
  • стакло 0, 6-1, 0;
  • азбест 0, 04;
  • дрво 0, 13;
  • парафин 0, 21;
  • цигла 0, 80;
  • дијамант 2300.

Из података који се разматрају може се видети да топлотна проводљивост метала далеко превазилази ону код неметала. Изузетак је дијамант, који има коефицијент преноса топлоте пет пута већи од бакра. Ово својство дијаманта повезано је са јаким ковалентним везама између атома угљеника, који формирају његову кристалну решетку. Захваљујући овом својству особа осећа хладноћу када дира дијамант уснама. Својство дијаманта да добро преноси топлотну енергију користи се у микроелектроници за уклањање топлоте из микроцела. Такође се ово својство користи у посебним уређајима за разликовање правог дијаманта од лажног.

У неким индустријским процесима покушавају повећати способност преноса топлоте, што се постиже било добрим проводницима, било повећањем додирне површине између компонената конструкције. Примери таквих дизајна су измењивачи топлоте и расипачи топлоте. У другим случајевима, напротив, они покушавају да смање топлотну проводљивост, што се постиже коришћењем топлотних изолатора, празнина у структурама и смањењем додирне површине елемената.

Коефицијенти преноса топлоте за челике

Способност преноса топлоте на челик зависи од два главна фактора: састава и температуре.

Једноставни угљенични челици са повећаним садржајем угљеника смањују њихову специфичну тежину, према којој њихова способност преноса топлоте са 54 на 36 В / (м * К) такође опада са променом удела угљеника у челику са 0, 5 на 1, 5%.

Нехрђајући челици садрже хром (10% или више), који заједно са угљеником формира сложене карбиде који спречавају оксидацију материјала, а такође повећавају електродни потенцијал метала. Топлотна проводљивост нерђајућег челика је мала у поређењу са другим челиком и креће се од 15 до 30 В / (м * К), зависно од његовог састава. Хром-никални челици отпорни на топлоту имају још ниже вредности овог коефицијента (11-19 В / (м * К).

Друга класа је поцинчани челик специфичне тежине од 7 850 кг / м3, који се добија превлачењем челика који се састоји од гвожђа и цинка. Пошто цинк проводи топлину лакше од гвожђа, топлотна проводљивост поцинкованог челика ће бити релативно висока у поређењу са другим класама челика. Распон се креће од 47 до 58 В / (м * К).

Топлотна проводљивост челика при различитим температурама, по правилу, не мења се много. На пример, коефицијент топлотне проводљивости челика 20 опада са 86 на 30 В / (м * К) када се температура повећа са собне температуре на 1200 ° Ц, а за разред 08Кх13, пораст температуре са 100 на 900 ° Ц не мења коефицијент топлотне проводљивости (27–28 Ш / (м * К).

Фактори који утичу на физичку количину

Способност провођења топлоте зависи од низа фактора, укључујући температуру, структуру и електрична својства материје.

Температура материјала

Утицај температуре на способност провођења топлоте варира за метале и неметале. Проводљивост је углавном повезана са слободним електронима. Према закону Виедеманн-Франз-а, топлотна проводљивост метала пропорционална је производу апсолутне температуре изражене у Келвину и његовој електричној проводљивости. У чистим металима електрична проводљивост опада са порастом температуре, па топлотна проводљивост остаје приближно константна . У случају легура, електрична проводљивост мало варира с порастом температуре, дакле, топлотна проводљивост легура расте сразмерно температури.

Са друге стране, пренос топлоте у неметалима углавном је повезан са вибрацијама решетки и разменом фонота решетки. С изузетком висококвалитетних кристала и ниских температура, средњи слободни пут фонота у решетки се не смањује значајно при високим температурама, па је топлотна проводљивост константна у целом температурном опсегу, тј. Безначајна је. На температурама нижим од Дебие температуре, способност неметала да проводе топлоту, заједно са њиховим топлотним капацитетом, значајно се смањује.

Фазни пријелази и структура

Када материјал доживи фазни прелаз првог реда, на пример, из чврстог у течно стање или из течног у гас, његова топлотна проводљивост може да се промени. Упечатљив пример такве промене је разлика ове физичке количине за лед (2.18 В / (м * К) и воду (0.90 В / (м * К)).

Промене у кристалној структури материјала такође утичу на топлотну проводљивост, што се објашњава анизотропним својствима различитих алотропних модификација супстанце истог састава. Анизотропија утиче на различите интензитете распршивања решеткастих фонона, главних носача топлоте у неметалима и у различитим смеровима у кристалу. Овде је живописан пример сафир, чија проводљивост варира од 32 до 35 В / (м * К) у зависности од правца.

Електрична проводљивост

Топлинска проводљивост метала варира од електричне проводљивости према закону Виедеманн - Франз. То је због чињенице да валенцијски електрони, који се слободно крећу дуж кристалне решетке метала, преносе не само електричну, већ и топлотну енергију. За остале материјале корелација између ове врсте проводљивости није изражена, због незнатног доприноса електронске компоненте топлотној проводљивости (решеткасти фонони играју главну улогу у механизму преноса топлоте).

Процес конвекције

Ваздух и други гасови су углавном добри изолатори топлоте у недостатку конвекцијског процеса. Рад многих топлотних изолационих материјала који садрже велики број малих празнина и пора заснован је на овом принципу. Таква структура не допушта ширење конвекције на велике удаљености. Примери таквих материјала које је човек добио су полистирен и силикон аиргел. У природи топлотни изолатори попут животињских кожа и перја птица раде на истом принципу.

Лаки гасови, као што су водоник и гел, имају високу топлотну проводљивост, а тешки гасови, као што су аргон, ксенон и радон, су лоши проводници топлоте. На пример, аргон, инертни гас који је тежи од ваздуха, често се користи као топлотно изолационо пунило гаса у двоструким прозорима и у сијалицама. Изузетак је сумпорни хексафлуорид (СФ6 гас), који је тешки гас и има релативно високу топлотну проводљивост, због свог великог топлотног капацитета.

Категорија:

Технологија